量子力學(xué)的含義
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量子力學(xué)的含義范文第1篇
關(guān)鍵詞：物理本體；物理實(shí)體；量子現(xiàn)象；主觀；客觀
基金項(xiàng)目：國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“量子概率的哲學(xué)研究”（16BZX022）
中圖分類號(hào)：N03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-854X（2017）06-0054-06
一、引言
時(shí)間和空間是人類所有經(jīng)驗(yàn)的背景。除去存在的事物，時(shí)間、空間什么也不是，不存在只有一件事物的時(shí)間、空間，時(shí)空是事物之間相互關(guān)系的一個(gè)方面。
人類通過(guò)感性經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知的時(shí)空，稱作經(jīng)驗(yàn)時(shí)空；以科學(xué)原理和科學(xué)方法指導(dǎo)認(rèn)知的時(shí)空是科學(xué)時(shí)空；牛頓時(shí)空、狹義相對(duì)論時(shí)空、廣義相對(duì)論時(shí)空、量子力學(xué)時(shí)空，是經(jīng)驗(yàn)時(shí)空的科學(xué)提升和科學(xué)發(fā)展，稱作物理時(shí)空①。物理時(shí)空是科學(xué)時(shí)空。描述現(xiàn)象實(shí)體的時(shí)空是現(xiàn)象時(shí)空，經(jīng)驗(yàn)時(shí)空、物理時(shí)空、科學(xué)時(shí)空均是現(xiàn)象時(shí)空。而未經(jīng)觀察的“自在實(shí)體（物理本體）”所在時(shí)空，稱為“本體時(shí)空”。“本體時(shí)空”是復(fù)數(shù)的②，因此，人類實(shí)質(zhì)生活在復(fù)數(shù)時(shí)空中 。作為自然人，觀察者存在于“本體時(shí)空”，實(shí)時(shí)空是人類對(duì)時(shí)空認(rèn)識(shí)的簡(jiǎn)化③。
主體、客體、觀察信號(hào)是人類認(rèn)知自然的三大基本要素④。一般“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”有其客觀原因，體現(xiàn)觀察信號(hào)的自然屬性對(duì)觀察者在認(rèn)知中的影響。當(dāng)把現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性轉(zhuǎn)化為時(shí)空的屬性后，就可以達(dá)到客觀描述物質(zhì)世界⑤。所謂客觀描述就是理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。
考慮觀察信號(hào)的客觀作用并納入時(shí)空理論的科學(xué)建構(gòu)之中，客觀描述物理現(xiàn)象，是物理學(xué)家的重要工作。一般，哲學(xué)認(rèn)知中沒(méi)有明晰“觀察信號(hào)中介作用”的客觀地位，不管“機(jī)械反映論”，還是“能動(dòng)反映論”，都自動(dòng)將其融入“反映論”理論體系，尤其是前者，往往容易導(dǎo)致主觀唯心主義的滋生。
狹義相對(duì)論用光對(duì)時(shí)，考慮了光對(duì)建立時(shí)空的貢獻(xiàn)；牛頓時(shí)空是對(duì)時(shí)信號(hào)速度c趨于無(wú)窮大的極限情態(tài)；考慮引力場(chǎng)對(duì)建立時(shí)空的影響，引力時(shí)空是彎曲的，狹義相對(duì)論的平直時(shí)空是它的局域特例。從牛頓力學(xué)到狹義相對(duì)論再到廣義相對(duì)論，時(shí)空發(fā)生了變化，但主體與描述對(duì)象的關(guān)系沒(méi)有變，主體對(duì)客體的描述是客觀的。那么是否主體對(duì)認(rèn)知對(duì)象完全沒(méi)有主觀影響？如果有，它如何產(chǎn)生，又如何消解，實(shí)現(xiàn)客觀描述物質(zhì)世界？經(jīng)典力學(xué)中，人類的處理方法是通過(guò)揭示“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”及其產(chǎn)生機(jī)理，在不同認(rèn)知領(lǐng)域區(qū)分描述中可以忽略的和不可忽略的，能忽略的舍棄，不能忽略的轉(zhuǎn)化成時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述；而從牛頓力學(xué)（或相對(duì)論力學(xué)）到量子力學(xué)，時(shí)空沒(méi)有變化，描述對(duì)象具有波粒二象性，“量子現(xiàn)象的主觀依賴性”更為突出。如何消解“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)量子現(xiàn)象的客觀描述，一直是量子力學(xué)基礎(chǔ)討論的熱點(diǎn)。量子力學(xué)必須有自己的客觀描述量子現(xiàn)象的時(shí)空⑥。
量子力學(xué)時(shí)空是閔氏時(shí)空的復(fù)數(shù)拓展和推廣⑦，由此可以實(shí)現(xiàn)客觀描述量子世界。它與相對(duì)論時(shí)空有交集，也有異域。有因必有果，反之亦然，時(shí)間與因果關(guān)系等價(jià)⑧。量子力學(xué)中的非定域性，與能量、動(dòng)量量子化及量子態(tài)的突變性相關(guān)聯(lián)。突變無(wú)須時(shí)間，導(dǎo)致因果鏈斷裂，與因果關(guān)聯(lián)的相互作用也被刪除，由此引進(jìn)了類空間隔。平行并存量子態(tài)的出現(xiàn)，是不遵從因果律的量子力學(xué)新表現(xiàn)；當(dāng)能量、動(dòng)量和相互作用變得連續(xù)，宏觀時(shí)序得到恢復(fù)時(shí)，回到相對(duì)論時(shí)空，量子測(cè)量中“量子態(tài)和時(shí)空的坍縮”⑨ 是不同物理時(shí)空的轉(zhuǎn)換，希爾伯特空間只是它們的共同數(shù)學(xué)應(yīng)用空間⑩。
時(shí)空不是絕對(duì)的，相對(duì)時(shí)空有更廣闊的含義，人類需要擴(kuò)大對(duì)時(shí)空概念的認(rèn)知，不同的認(rèn)知層次有不同的時(shí)空對(duì)應(yīng)，復(fù)數(shù)時(shí)空更為本質(zhì)。人們不應(yīng)該將所有領(lǐng)域的物理實(shí)體歸于某一時(shí)空描述，或者用一種時(shí)空的性質(zhì)去否定另一種時(shí)空的存在。還是愛(ài)因斯坦說(shuō)得好：是理論告訴我們能夠觀察到什么。當(dāng)然，新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)又將告訴人們，理論及其對(duì)應(yīng)的時(shí)空應(yīng)該如何修改和發(fā)展。理論不同時(shí)空不同，時(shí)空具有建構(gòu)特征。
二、時(shí)空的哲學(xué)認(rèn)知與物理學(xué)描述
時(shí)空是哲學(xué)的基本概念，也是物理學(xué)的基本概念。哲學(xué)認(rèn)為，時(shí)間和空間是物質(zhì)的存在形式，既不存在沒(méi)有時(shí)空的物質(zhì)，也不存在沒(méi)有物質(zhì)的時(shí)空。笛卡爾指出，空間是事物的廣延性，時(shí)間是事物的持續(xù)性；康德認(rèn)為，時(shí)空是感性材料的先天直觀形式；牛頓提出時(shí)間和空間是彼此分離，絕對(duì)不變的，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的時(shí)間自我均勻流逝；萊布尼茨說(shuō)，空間是現(xiàn)象的共存序列，時(shí)間與運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系；黑格爾認(rèn)為，事物運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是空間和時(shí)間的直接統(tǒng)一。休謨認(rèn)為，時(shí)、空上的接近和先后關(guān)系與因果性直接相關(guān)。中國(guó)的“宇”和“宙”就是空間和時(shí)間概念，它是把三維空間和一維時(shí)間概念同宇宙密切聯(lián)系在一起的最早應(yīng)用{11}。
哲學(xué)具有啟示作用，但時(shí)空概念如果不與人的社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)理論及其數(shù)學(xué)物理方法相聯(lián)系，就只能停留在形而上，無(wú)法上升為科學(xué)理論概念。
物理學(xué)中，空間從測(cè)量和描述物體及其運(yùn)動(dòng)的位置、形狀、方向中抽象出來(lái)；時(shí)間則從描述物體運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性、周期性，以及事件發(fā)生的順序、因果性中抽象出來(lái)；空間和時(shí)間的性質(zhì)，主要從物體運(yùn)動(dòng)及其相互作用的各種關(guān)系和度量中表現(xiàn)出來(lái)。描述物體的運(yùn)動(dòng)，先選定參照物，并在參照物上建立一個(gè)坐標(biāo)系，一般參照物被抽象成點(diǎn)，它就是坐標(biāo)系的原點(diǎn)；假定被描述物體的形體結(jié)構(gòu)對(duì)討論的問(wèn)題（或?qū)⒄瘴锏臅r(shí)空）沒(méi)有影響，將物體抽象成質(zhì)點(diǎn)，討論質(zhì)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)及其相關(guān)規(guī)律，這就是物理學(xué)。由此，“時(shí)空是物質(zhì)的存在形式”的哲學(xué)認(rèn)知也就轉(zhuǎn)化為人類可操作的具體物理理論描述。
可見(jiàn)，時(shí)空的認(rèn)知與人類的社會(huì)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)進(jìn)步直接相關(guān)，離不開(kāi)物理和數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用。笛卡爾平直空間、閔可夫斯基空間、黎曼空間都已作為物理學(xué)所依托的幾何學(xué)，在牛頓力學(xué)、狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論中得到了充分應(yīng)用。由此，幾何學(xué)被賦予了物理意義。從牛頓力學(xué)到狹義相對(duì)論再到廣義相對(duì)論，時(shí)空發(fā)生了變化，但描述對(duì)象與觀察者之間的關(guān)系沒(méi)有變，描述是客觀的，并且描述對(duì)象都可抽象成經(jīng)典的粒子，采用質(zhì)點(diǎn)模型。量子力學(xué)不同，從牛頓力學(xué)（相對(duì)論力學(xué)）到量子力學(xué)，描述量子現(xiàn)象的時(shí)空沒(méi)有變化{12}，物理模型沒(méi)有變，但量子現(xiàn)象對(duì)觀察者有明顯的主觀依賴性，難以客觀描述微觀量子現(xiàn)象。深入分析，解決的辦法有兩種，一是更換物理模型的同時(shí)也改變物理時(shí)空，消除“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”，實(shí)現(xiàn)客觀描述微觀量子客體；二是改變時(shí)空的同時(shí)，保留“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”，將本體、認(rèn)識(shí)、時(shí)空融為一體，主觀納入客觀，模糊主客關(guān)系。雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)采用了第一種方法。通過(guò)場(chǎng)物質(zhì)球模型，把點(diǎn)模型隱藏的空間自由度釋放出來(lái)；在改變物理模型的同時(shí)，也改變了描述時(shí)空；將不是點(diǎn)的微觀客體自身的空間分布特性，轉(zhuǎn)化為描述空間的屬性，客觀描述量子客體。我們認(rèn)為，第二種方法將主觀認(rèn)識(shí)不加區(qū)分地“融入時(shí)空”，有損客觀性、科W性，量子力學(xué)時(shí)空必須是描述客觀世界的時(shí)空。物理時(shí)空需要建構(gòu)。
三、牛頓絕對(duì)時(shí)空中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
眾所周知，物理學(xué)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，理應(yīng)包含參照物和被描述物體自身的時(shí)空特征，而參照物和物體自身的時(shí)空特征，必須通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)。觀察需要觀測(cè)信號(hào)，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其時(shí)空特征必然帶有觀測(cè)信號(hào)的烙印{13}。
“物理本體”不可直接觀察，我們觀察到的是“物理實(shí)體”{14}。參照物與研究對(duì)象都有自己對(duì)應(yīng)的物理時(shí)空，牛頓力學(xué)時(shí)空應(yīng)該是兩者的綜合，而不應(yīng)該只是參照物的時(shí)空。但是，牛頓力學(xué)中光速無(wú)窮大，在討論物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，又假設(shè)研究對(duì)象的時(shí)空結(jié)構(gòu)對(duì)討論的問(wèn)題沒(méi)有影響，忽略不計(jì)，于是，研究對(duì)象抽象成了質(zhì)點(diǎn)，整個(gè)理論體系就只有與參照物聯(lián)系的時(shí)空了。
任何具體物體都不會(huì)是質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)用信號(hào)去觀察它時(shí)，物體自身的時(shí)空特征與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與觀察信號(hào)的性質(zhì)、強(qiáng)弱和傳播速度相關(guān)。質(zhì)點(diǎn)模型忽略物體自身的幾何形象及其變化，忽略運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)物體自身時(shí)空特征的影響，參照物也不例外。在從參照物到坐標(biāo)系的抽象中，抽掉運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)參照物時(shí)空特性的影響，就是抽掉物體運(yùn)動(dòng)及觀察信號(hào)對(duì)坐標(biāo)系時(shí)空特性的影響，就是抽掉人的參與對(duì)時(shí)空認(rèn)知的影響{15}。牛頓力學(xué)時(shí)空與物體運(yùn)動(dòng)及觀察者無(wú)關(guān)，絕對(duì)不變，基于絕對(duì)不動(dòng)的以太之上。所以，牛頓可以把時(shí)間和空間從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中分離出來(lái)，時(shí)間和空間也彼此分割，空間絕對(duì)不變，數(shù)學(xué)的、永遠(yuǎn)流逝的時(shí)間絕對(duì)不變{16}。哲學(xué)的時(shí)空演變成了可操作的物理時(shí)空。這是宏觀低速運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)空的簡(jiǎn)化與抽象，理論與宏觀經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算相符。
相互作用實(shí)在論認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)世界是人參與的世界，對(duì)一個(gè)研究對(duì)象的觀察，離不開(kāi)主體、客體、觀察信號(hào)三個(gè)基本要素。參照物和觀察對(duì)象的運(yùn)動(dòng)和變化及其時(shí)空屬性，與觀察信號(hào)的性質(zhì)相關(guān)。牛頓力學(xué)中，不是沒(méi)有現(xiàn)象對(duì)觀察主體的依賴性，而是在理論的建立中認(rèn)為影響很小，可以忽略不計(jì)。牛頓力學(xué)是“物理本體=物理實(shí)體”的力學(xué){17}。這與宏觀經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)相符，在宏觀低速運(yùn)動(dòng)層次實(shí)現(xiàn)了主客二分，理論被看作是對(duì)客觀實(shí)在的描述。牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建描述背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景中運(yùn)動(dòng)。二者構(gòu)成背景相關(guān)。
牛頓時(shí)空是均勻平直時(shí)空，相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系間的變換是伽利略變換。物理定律在伽利略換下具有協(xié)變性，相對(duì)性原理成立。
四、狹義相對(duì)論中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
狹義相對(duì)論建立之前，洛倫茲就認(rèn)為高速運(yùn)動(dòng)中物體長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生收縮{18}。這是他站在牛頓時(shí)空立場(chǎng)，承認(rèn)以太及絕對(duì)坐標(biāo)系的存在對(duì)洛倫茲變換所作的解釋。描述時(shí)空沒(méi)有變，“現(xiàn)象對(duì)觀察者出現(xiàn)了主觀依賴性”。自然現(xiàn)象失去了客觀性，這是一次認(rèn)識(shí)危機(jī)，屬19世紀(jì)末20世紀(jì)初兩朵烏云之一。
狹義相對(duì)論不同，它考慮宏觀高速運(yùn)動(dòng)中觀察信號(hào)對(duì)物體時(shí)空特征的影響。愛(ài)因斯坦在“火車對(duì)時(shí)”實(shí)驗(yàn)中，他用“光”作為觀察、記錄、認(rèn)知物體時(shí)空特征的信號(hào){19}；通過(guò)參照物到坐標(biāo)系的抽象，論證靜、動(dòng)坐標(biāo)系K與K′“同時(shí)性”不同，靜、動(dòng)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方向時(shí)空測(cè)量單位發(fā)生了變化；將洛倫茲所稱“運(yùn)動(dòng)物體自身運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度收縮”演變成坐標(biāo)系時(shí)空框架的屬性，還原質(zhì)點(diǎn)模型，建立相對(duì)論力學(xué)。實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)觀察對(duì)象的客觀描述。
狹義相對(duì)論中質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量、能量、位置和時(shí)間都有確定值，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)具有確定的軌跡，這一點(diǎn)與牛頓力學(xué)相同。
狹義相對(duì)論時(shí)空的另一重要物理意義是揭示了“物理本體”的客觀實(shí)在性。
牛頓力學(xué)缺少相對(duì)論不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對(duì)應(yīng)物，物理本體=物理實(shí)體，哲學(xué)上的抽象時(shí)空直接過(guò)渡到牛頓物理時(shí)空。
狹義相對(duì)論不一樣，每一個(gè)物體都有一個(gè)不可直接觀察的靜能（m0c2，m0c）對(duì)應(yīng)物，它在任何靜止參考系中都是不變量，是物理實(shí)體背后的物理本體，物理本體不變，變的是mc2、mc對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體。“物理本體”既不是形而上的（物自體），也不是形而下的（物體），是形而中的（靜能對(duì)應(yīng)物）。它可以認(rèn)知、可以理論建構(gòu)，但又不可直接觀察。相對(duì)于牛頓，愛(ài)因斯坦相對(duì)論揭示了“物理本體”的真實(shí)存在性。“客觀物質(zhì)世界”不是思維的產(chǎn)物。
狹義相對(duì)論中，物質(zhì)告訴時(shí)空在運(yùn)動(dòng)方向如何修正測(cè)量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何長(zhǎng)度收縮、時(shí)間減緩。時(shí)空具有相對(duì)性。
狹義相對(duì)論時(shí)空雖然也是均勻平直時(shí)空，但由于有上述“相對(duì)時(shí)空”的出現(xiàn)，時(shí)空度規(guī)與歐氏時(shí)空度規(guī)有明顯區(qū)別，所以稱為贗歐氏時(shí)空。
但狹義相對(duì)論仍然是只考慮光及光速的有限性對(duì)建立時(shí)空的影響，沒(méi)有考慮引力作用對(duì)建立時(shí)空的影響。如果考慮引力對(duì)時(shí)空的影響又如何呢？
五、廣義相對(duì)論中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
廣義相對(duì)論中有水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問(wèn)題和光走曲線的討論。站在牛頓平直時(shí)空的立場(chǎng)，觀察結(jié)果與理論計(jì)算不符。這不是儀器的精度不夠，也不是操作失誤，而是理論本身的問(wèn)題。因?yàn)椋ｎD力學(xué)也好，狹義相對(duì)論也好，討論引力問(wèn)題，引力場(chǎng)對(duì)參照物和研究對(duì)象時(shí)空屬性的影響都沒(méi)有計(jì)入其中，而留在觀察者對(duì)“現(xiàn)象”的觀察、判斷之中，出現(xiàn)宇觀大尺度“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”。如果考慮引力場(chǎng)使時(shí)空發(fā)生彎曲，利用彎曲時(shí)空計(jì)算水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和光走曲線現(xiàn)象，“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”就變成時(shí)空的屬性。“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”就得到了“消解”，觀察現(xiàn)象與理論結(jié)果就取得了一致。這里，物質(zhì)使時(shí)空彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動(dòng)。廣義相對(duì)論實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)觀察對(duì)象的客觀描述。
廣義相對(duì)論時(shí)空是彎曲的，時(shí)空度規(guī)是變化的。
六、量子力學(xué)中“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”及其“消解”
微觀客體具有波粒二象性，同一個(gè)電子，通過(guò)雙縫表現(xiàn)為波，而打在屏幕上又表現(xiàn)為粒子，電子集波和粒子于一身，“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”更為突出。經(jīng)典力學(xué)中波動(dòng)性和粒子性不能集物體于一身，量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)表現(xiàn)出深刻的矛盾。矛盾的產(chǎn)生，可能是描述微觀現(xiàn)象的時(shí)空出了問(wèn)題。量子力學(xué)的研究領(lǐng)域是微觀世界，研究對(duì)象是微觀客體，不是經(jīng)典的粒子，用以觀察的信號(hào)也不是連續(xù)的光，而是量子化了的光，通過(guò)光信號(hào)建立的時(shí)空應(yīng)該與牛頓、相對(duì)論時(shí)空有所區(qū)別。而量子力學(xué)使用的還是牛頓時(shí)空、狹義相對(duì)論時(shí)空，時(shí)空沒(méi)有變，物理模型沒(méi)有變，而研究領(lǐng)域、觀察信號(hào)和研究“對(duì)象”變了。量子力學(xué)必須有自己對(duì)應(yīng)的時(shí)空，將“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”，轉(zhuǎn)化為描述時(shí)空的屬性，實(shí)現(xiàn)客觀描述量子現(xiàn)象！ 雙4維時(shí)空量子力學(xué)就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生的。
現(xiàn)有量子力學(xué)“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”之所以難以消解，與量子力學(xué)中的點(diǎn)模型相關(guān)。許多量子現(xiàn)象與點(diǎn)模型隱藏的空間自由度有直接聯(lián)系，但點(diǎn)模型忽略了這些自由度對(duì)產(chǎn)生微觀量子現(xiàn)象的作用和影響。我們必須將隱藏的空g自由度還原于時(shí)空，才可能正確地認(rèn)識(shí)、客觀描述量子現(xiàn)象。
可以公認(rèn)，微觀客體不是點(diǎn){20}，是一個(gè)有形客體，有一定的空間分布，不存在確定于某點(diǎn)的空間位置，這是客觀事實(shí)。理論上，牛頓時(shí)空幾何點(diǎn)位置是確定的，量子力學(xué)使用的是質(zhì)點(diǎn)模型，0 維，位置也是確定的，牛頓時(shí)空可以精確描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。那么微觀客體空間分布的不確定性如何處理？人們只好轉(zhuǎn)而認(rèn)為點(diǎn)粒子在其“空間分布”區(qū)域位置具有概率屬性。微觀客體自身空間分布的客觀實(shí)在性在量子世界轉(zhuǎn)化成了一種主觀認(rèn)知，賦予了微觀客體“內(nèi)稟”的概率屬性，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生概率分布，或稱其為概率波。
這是一個(gè)認(rèn)識(shí)上的困惑，似乎量子力學(xué)描述失去了客觀實(shí)在性。這也是量子力學(xué)當(dāng)今的困境。解決困難的方法是：（一）更換點(diǎn)模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的自由度，展示“這些自由度對(duì)產(chǎn)生微觀現(xiàn)象的貢獻(xiàn)”；（二）建立適合量子力學(xué)自身的時(shí)空，將釋放的自由度植入其中，讓“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”變成量子力學(xué)時(shí)空自身的屬性。
雙4維時(shí)空量子力學(xué)的辦法是：（一）用“轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)物質(zhì)球”模型取代“質(zhì)點(diǎn)”模型，釋放點(diǎn)模型隱藏的空間自由度；（二）將4維實(shí)時(shí)空M4（x）拓展到雙4維復(fù)時(shí)空W（x，k），且將“釋放的空間自由度――曲率k”作為雙4維復(fù)時(shí)空的虛部坐標(biāo)；（三）4維曲率坐標(biāo)將量子力學(xué)賦予微觀客體自身的概率屬性變成量子力學(xué)復(fù)時(shí)空的幾何屬性，場(chǎng)物質(zhì)球自身的旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。
“場(chǎng)物質(zhì)球”與“物質(zhì)波”（類似對(duì)偶性假設(shè)）既是同一物理實(shí)在的兩種不同描述方式，更是微觀客體粒子性和波動(dòng)性的統(tǒng)一，曲率的大小表示粒子性，曲率的變化表示波動(dòng)性。場(chǎng)物質(zhì)球的物質(zhì)密度是曲率k的函數(shù)，因此，物質(zhì)波既是場(chǎng)物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)波又是場(chǎng)物質(zhì)密度波。物質(zhì)波不是傳播能量，而是傳播場(chǎng)物質(zhì)球的結(jié)構(gòu)或物質(zhì)密度變化，可映射成實(shí)時(shí)空M4（x）的概率分布{21}，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
這樣，點(diǎn)模型中“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”通過(guò)“釋放的自由度”轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空W（x，k）的屬性，物質(zhì)波傳播其中，量子現(xiàn)象是物質(zhì)波所為。
研究表明，是量子測(cè)量引入的連續(xù)作用，使雙4維時(shí)空W（x，k）全域轉(zhuǎn)換到實(shí)時(shí)空M4（x），波動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)（“相變”），球模型轉(zhuǎn)換成點(diǎn)模型，概率屬性內(nèi)在其中，物質(zhì)波自動(dòng)映射成概率波，數(shù)學(xué)處理類似表象變換{22}。
簡(jiǎn)言之，傳統(tǒng)量子力學(xué)，微觀客體簡(jiǎn)化成質(zhì)點(diǎn)，描述時(shí)空不變，人的主觀意識(shí)介入其中，將其空間分布特性――位置不確定性，變成點(diǎn)粒子的概率屬性，實(shí)現(xiàn)描述對(duì)象從客觀到主觀認(rèn)知的轉(zhuǎn)變，具有位置不確定性的點(diǎn)粒子，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生概率波；雙4維時(shí)空量子力學(xué)，微觀客體簡(jiǎn)化成場(chǎng)物質(zhì)球，“空間分布具體化為幾何曲率”，空間分布特性變成曲率坐標(biāo)，仍然是從客觀到客觀，描述時(shí)空變成了復(fù)時(shí)空，曲率坐標(biāo)在其虛部，場(chǎng)物質(zhì)球的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生物質(zhì)波――物理波。通過(guò)量子測(cè)量，物質(zhì)波映射成概率波，球模型演變成點(diǎn)模型，顯示概率屬性，時(shí)空內(nèi)在自動(dòng)轉(zhuǎn)換，量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性消解在建構(gòu)的時(shí)空理論中。具體論證方法是：
將靜態(tài)場(chǎng)物質(zhì)球?qū)懗勺孕▌?dòng)形式：Ψ0=е■，描述在復(fù)空間。ω0是常數(shù)，它的變化只與自身坐標(biāo)系時(shí)間t0相關(guān)，全空間分布（物理本體所在空間）。設(shè)建在“靜態(tài)”場(chǎng)物質(zhì)球上的坐標(biāo)系為K0，觀察微觀客體從靜止開(kāi)始作蛩僭碩，由洛倫茲變換：
微觀客體的運(yùn)動(dòng)速度不同，平面波相位不同。復(fù)相空間kμxμ即為物質(zhì)波所在時(shí)空。物質(zhì)波是物理波。
自由微觀客體的速度就是建在其上慣性坐標(biāo)系的速度，慣性系間的坐標(biāo)變換，隱藏速度突變――“超光速”概念，因?yàn)椋B續(xù)變化會(huì)引進(jìn)引力場(chǎng)破壞線性空間。不同慣性系中平面波之間，相位不同，類似量子力學(xué)中的不同本征態(tài)。這是相對(duì)論中的情形{24}。
但是，量子力學(xué)建立其理論體系時(shí)，把上述不同慣性系中的平面波（不同本征態(tài)，每一本征態(tài)則對(duì)應(yīng)一慣性系），通過(guò)本征態(tài)突變躍遷假設(shè)（量子分割），切斷因果聯(lián)系，形成同一時(shí)空中“同時(shí)”并存的本征態(tài)的疊加。態(tài)的躍遷不需要時(shí)間，“超光速”（非定域），將類空間隔引入量子力學(xué)時(shí)空，破壞了原有的因果關(guān)系。疊加量子態(tài)的存在，是“違背”因果律在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。
量子力學(xué)時(shí)空顯然不是牛頓、狹義相對(duì)論時(shí)空，但量子力學(xué)卻誤認(rèn)為量子躍遷引起的時(shí)空性質(zhì)的變化是牛頓、狹義相對(duì)論時(shí)空中的特征，這當(dāng)然會(huì)帶來(lái)不可調(diào)和的認(rèn)知矛盾。
同一微觀客體，不同本征態(tài)“同時(shí)”并存的物理狀態(tài)，從整體看，是洛倫茲協(xié)變性在量子力學(xué)中的新表現(xiàn)。突變區(qū)“超光速”，是類空空間，“不遵從”因果律；釋放光子的運(yùn)動(dòng)在類光空間；而本征態(tài)自身在類時(shí)空間，微觀客體運(yùn)動(dòng)速度不能超過(guò)光速，需保持因果律，物質(zhì)波討論的就是這一部分，就像相對(duì)論討論類時(shí)空間物理一樣。量子糾纏態(tài)將涉及到上述三種不同性質(zhì)物理空間量子態(tài)的轉(zhuǎn)換，有完全合理的物理機(jī)制，不需要思維的特殊作用。不過(guò)，相對(duì)論長(zhǎng)度收縮效應(yīng)，將以物質(zhì)波波長(zhǎng)在運(yùn)動(dòng)方向上的收縮來(lái)體現(xiàn)。有了雙4維時(shí)空量子力學(xué)，量子力學(xué)與相對(duì)論就是相容的，光錐圖分析一樣適用。
相對(duì)論與量子力學(xué)的不同，關(guān)鍵在于認(rèn)知層次發(fā)生了變化，光由連續(xù)場(chǎng)演變成了量子場(chǎng)。而我們用來(lái)觀察世界的光信號(hào)直接與時(shí)空相關(guān)，光的物理性質(zhì)的變化，必然帶來(lái)物理空間性質(zhì)的變化，帶來(lái)物理模型的變化，帶來(lái)量子力學(xué)時(shí)空W（x，k）與相對(duì)論時(shí)空M4（x）之間的區(qū)別，帶來(lái)對(duì)物質(zhì)波――物理波的全新認(rèn)知。我們預(yù)言，物質(zhì)波有通訊應(yīng)用價(jià)值{25}，但與量子力學(xué)非定域性無(wú)關(guān)。
《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》的理論實(shí)踐表明，我們的工作是可取的{26}。結(jié)論是，量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動(dòng)。量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性消解在對(duì)應(yīng)的時(shí)空理論之中，實(shí)現(xiàn)了觀察者對(duì)量子現(xiàn)象的客觀描述。
雙4維時(shí)空是描述量子現(xiàn)象的物理時(shí)空，時(shí)空度規(guī)，無(wú)論實(shí)數(shù)部分，還是虛數(shù)部分，都是平直的{27}。
近年來(lái)，由于量子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，量子糾纏的物理基礎(chǔ)引起了人們的特別關(guān)注，波函數(shù)的物理本質(zhì)，量子力學(xué)的非定域性討論十分熱烈。“量子現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”更是討論的核心。人們甚至被量子現(xiàn)象的奇異性迷惑了，特別是，有科學(xué)家甚至認(rèn)為：“客觀世界很有可能并不存在”。世界是人臆造出來(lái)的？科學(xué)實(shí)在論者當(dāng)然不能贊成！更加深入的探討，我們將另文討論。
按照曹天予的評(píng)論，《雙4維復(fù)時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)――量子概率的時(shí)空起源》值得關(guān)注{28}。雙4維復(fù)時(shí)空與弦論、圈論比較，最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)空拓展、推廣到了復(fù)數(shù)空間，數(shù)學(xué)沒(méi)有那么復(fù)雜，而物理學(xué)基礎(chǔ)卻更加堅(jiān)實(shí)、清晰。
七、結(jié)論與討論
1.“現(xiàn)象對(duì)觀察者的主觀依賴性”普遍存在于人與自然的關(guān)系之中，融入時(shí)空的只能是物理實(shí)體對(duì)時(shí)空有影響的部分，時(shí)空具有建構(gòu)特征。
2. 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)空的關(guān)系：牛頓力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何搭建運(yùn)動(dòng)背景，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在背景上運(yùn)動(dòng)；狹義相對(duì)論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何修正測(cè)量單位，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在運(yùn)動(dòng)方向長(zhǎng)度收縮、時(shí)間減緩；廣義相對(duì)論中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)動(dòng)；量子力學(xué)中，物質(zhì)告訴時(shí)空如何具有概率屬性，時(shí)空告訴物質(zhì)如何作概率運(yùn)動(dòng)。
3. 量子力學(xué)時(shí)空是平直的，其方程是線性的，而廣義相對(duì)論時(shí)空是彎曲的，其方程是非線性的{29}。量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的統(tǒng)一，不能機(jī)械地湊合，它們的統(tǒng)一，必須從改變時(shí)空的性質(zhì)做起，建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程，并搭起非線性空間與線性空間的相互聯(lián)絡(luò)通道。
注釋：
① 趙國(guó)求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5頁(yè)；Cao Tian Yu， From Current Algebra to Quantum Chromodynamics： A Case for Structural Realism， Cambridge： Cambridge University Press， 2010， pp.202-241.
② Rocher Edouard， Noumenon： Elementaryentity of a Newmechanics， J. Math. Phys.， 1972， 13（12）， pp.1919-1925.
③④⑥⑦⑩{13}{15}{17}{21}{22}{24}{25}{27} w國(guó)求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第5、105、9、147、179、94、133―136、106、151、151、159、152、149頁(yè)。
⑤ 主觀與客觀：“客觀”，觀察者外在于被觀察事物；“主觀”，觀察者參與到被觀察事物當(dāng)中。 辯證唯物主義認(rèn)為主觀和客觀是對(duì)立的統(tǒng)一，客觀不依賴于主觀而獨(dú)立存在，主觀能動(dòng)地反映客觀。
⑧ L?斯莫林：《通向量子引力的三條途徑》，李新洲等譯，上海科學(xué)技術(shù)出版社2003年版，第29―33頁(yè)。
⑨ 張永德：《量子菜根譚》，清華大學(xué)出版社2012年版，第29頁(yè)；趙國(guó)求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第178頁(yè)。
{11} 馮契：《哲學(xué)大辭典》，上海辭書(shū)出版社2001年版，第1579―1582頁(yè)。
{12} 參見(jiàn)L?斯莫林：《物理學(xué)的困惑》，李泳譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社2008年版。
{14} 相互作用實(shí)在論中的基本概念：（1）物質(zhì)：外在世界的本原。（2）基本相互作用：遍指自然力，有引力，電磁、強(qiáng)、弱等力。（3）自在實(shí)體：指未經(jīng)觀察的“自然客體”（相互作用實(shí)在論中，自在實(shí)體作為物理研究對(duì)象時(shí)稱物理本體）。（4）現(xiàn)象實(shí)體：經(jīng)過(guò)觀察，系統(tǒng)的、穩(wěn)定的、深刻反映事物本質(zhì)的理性認(rèn)知物。現(xiàn)象則表現(xiàn)自在實(shí)體非本質(zhì)的一面。（相互作用實(shí)在論中，現(xiàn)象實(shí)體作為物理研究對(duì)象時(shí)稱物理實(shí)體）。（5）觀測(cè)信號(hào)：人類認(rèn)知世界使用的探測(cè)信號(hào)。
{16} 參見(jiàn)伊?牛頓：《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理宇宙體系》，武漢出版社1996年版。
{18} 參見(jiàn)倪光炯等：《近代物理學(xué)》，上海科學(xué)技術(shù)出版社1980年版。
{19} 參見(jiàn)A?愛(ài)因斯坦：《相對(duì)論的意義》，科學(xué)出版社1979年版；愛(ài)因斯坦等：《物理學(xué)的進(jìn)化》，周肇威譯，上海科學(xué)技術(shù)出版社1964年版。
{20} 坂田昌一：《坂田昌一科學(xué)哲學(xué)論文集》，安度譯，知識(shí)出版社2001年版，第140頁(yè)。
{23} 參見(jiàn)Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國(guó)求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)基礎(chǔ)》，湖北科學(xué)技術(shù)出版社2016年版，第149頁(yè)。
{26} 參見(jiàn)Guo Qiu Zhao， Describe Quantum Mechanics in Dual 4d Complex Space-Time and the Ontological Basis of Wave Function， Journal of Modern Physics， 2014， 5（16）， p.1684；趙國(guó)求：《雙4維時(shí)空量子力學(xué)描述》，
《現(xiàn)代物理》2013年第5期；趙國(guó)求、李康、吳國(guó)林：《量子力學(xué)曲率詮釋論綱》，《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》（社會(huì)科學(xué)版）2013年第1期。
{28} 曹天予：《當(dāng)代科學(xué)哲學(xué)中的庫(kù)恩挑戰(zhàn)》，《中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào)》2016年5月31日。
量子力學(xué)的含義范文第2篇
【關(guān)鍵詞】超弦/M理論/圈量子引力/哲學(xué)反思
【正文】
本文分四部分。首先明確什么是量子引力？其次給出當(dāng)代量子引力發(fā)展簡(jiǎn)史，更次概述當(dāng)代量子引力研究主要成果，最后探討量子引力的一些哲學(xué)反思。
一、什么是量子引力？
當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的挑戰(zhàn)性課題，就是把廣義相對(duì)論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來(lái)[1]。這個(gè)問(wèn)題的研究，將會(huì)引起我們關(guān)于空間、時(shí)間、相互作用（運(yùn)動(dòng)）和物質(zhì)結(jié)構(gòu)諸觀念的深刻變革，從而實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)所提出的空間時(shí)間觀念的量子革命。
廣義相對(duì)論是經(jīng)典的相對(duì)論性引力場(chǎng)理論，量子力學(xué)是量子物理學(xué)的核心。凡是研究廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相互結(jié)合的理論，就稱為量子引力理論，簡(jiǎn)稱量子引力。探討量子引力卓有成效的理論，主要有兩種形式。第一，是把廣義相對(duì)論進(jìn)行量子化，正則量子引力屬于此種。第二，是對(duì)一個(gè)不同于廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論進(jìn)行量子化，而廣義相對(duì)論則作為它的低能極限，超弦／M理論則屬于這種。
圈(Loop)量子引力[2]是當(dāng)前正則量子引力的流行形式。正則量子引力是只有引力作用時(shí)的量子引力，和超弦／M理論相比，它不包括其它不同作用。它的基本概念是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)量子化手續(xù)于廣義相對(duì)論，而廣義相對(duì)論則寫成正則的即Hamiltonian形式。正則量子引力根據(jù)歷史發(fā)展大體上可分為樸素量子引力和圈量子引力。粗略來(lái)說(shuō)，前者發(fā)生于1986年前，后者發(fā)生于1986年后。樸素量子引力由于存在著紫外發(fā)散的重正化困難，從而圈量子引力發(fā)展成為當(dāng)前正則量子引力的代表。
超弦／M理論的目的，在于提供己知四種作用即引力和強(qiáng)、弱、電作用統(tǒng)一的量子理論。理論的基本實(shí)體不是點(diǎn)粒子，而是1維弦、2維簡(jiǎn)單膜和多維brane（廣義膜）的延展性物質(zhì)客體。超弦是具有超對(duì)稱性的弦，它不意味著表示單個(gè)粒子或單種作用，而是通過(guò)弦的不同振動(dòng)模式表示整個(gè)粒子譜系列。
圈量子引力和超弦／M理論之外，當(dāng)代量子引力還有其它不同方案。例如，Euclidean量子引力、拓?fù)鋱?chǎng)論、扭量理論、非對(duì)易幾何等。
二、當(dāng)代量子引力研究進(jìn)展
我們主要給出超弦／M理論和圈量子引力研究的重大進(jìn)展。
1.超弦／M理論方面[3]
弦理論簡(jiǎn)稱弦論，雖然在20紀(jì)70年代中期，已經(jīng)知道其中自動(dòng)包含引力現(xiàn)象，但因存在一些困難，只是到80年代中期才取得突破性進(jìn)展。
1)80年代超弦理論
弦論發(fā)展可粗略分為早期弦理論（70年代）、超弦理論（80年代）和M理論（90年代）三個(gè)時(shí)期。我們從80年代超弦理論開(kāi)始，簡(jiǎn)述其研究進(jìn)展。
1981年，M·Green和J.Schwarz提出一種嶄新的超對(duì)稱弦理論，簡(jiǎn)稱超弦理論，認(rèn)為弦具有超對(duì)稱性質(zhì)，弦的特征長(zhǎng)度已不再是強(qiáng)子的尺度（～10[-13]厘米），而是Planck尺度（～10[-33]厘米）。
1984年，Green和Schwarz證明[4]，當(dāng)規(guī)范群取為SO(32)時(shí)，超弦I型的楊－Mills反常消失，4粒子開(kāi)弦圈圖是有限的。
1985年，D.Gross，J.Harvey[5]等4人提出10維雜化弦概念，這種弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。雜化弦有E[，8]×E[，8]和SO(32)兩種。
同年，P.Candlas，G.Horowitz，A.Strominger和E.Witten[6]對(duì)10維雜化弦E[，8]×E[，8]的額外空間6維進(jìn)行緊致化，最重要的一類為Calabi－丘流形。但是這類流形總數(shù)多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取作為我們世界的C－丘流形，至今還不清楚，雖然近10多年來(lái)，這方面的努力從來(lái)未中斷過(guò)。
1986年，提出建立超弦協(xié)變場(chǎng)論問(wèn)題，促進(jìn)了對(duì)非微擾超弦理論的探討。在諸種探討方案中，以E.Witten的非對(duì)易幾何最為突出[7]。
同年，人們?cè)敿?xì)地研究了超弦唯象學(xué)，例如E[，6]以下如何破缺及相應(yīng)的物理學(xué)，對(duì)緊致空間已不限于C－丘流形，還包括軌形(Orbifold)、倍集空間等。
人們常把1984-86年期間對(duì)超弦研究的突破，稱為第一次超弦革命。在此期間建立了超弦的五種相互獨(dú)立的10維理論，而且是微擾的。它們是I型、IIA型、IIB型、雜化E[，8]×E[，8]型和SO(32)型。
2)90年代M理論
經(jīng)過(guò)80年代末期和90年代初期，對(duì)超弦理論的對(duì)偶性、鏡對(duì)稱及拓?fù)涓淖兊鹊难芯浚?995年五種超弦微擾理論的統(tǒng)一性問(wèn)題獲得重大突破，從此第二次超弦革命開(kāi)始出現(xiàn)。
1995年，Witten在南加州大學(xué)舉行的95年度弦會(huì)議上發(fā)表演講，點(diǎn)燃起第二次超弦革命。Witten根據(jù)諸種超弦間的對(duì)偶性及其在不同弦真空中的關(guān)聯(lián)，猜測(cè)存在某一個(gè)根本理論能夠把它們統(tǒng)一起來(lái)，這個(gè)根本理論Witten取名為M理論。這一年內(nèi)Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人，給出ⅡA型弦和M理論間的關(guān)系[8]、I型弦和雜化SO(32)型弦間的關(guān)系、雜化弦E[，8]×E[，8]型和M理論間的關(guān)系等。
1996年，J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人認(rèn)識(shí)到D-branes的重要性。積極進(jìn)行D-branes動(dòng)力學(xué)研究[9]，取得一定成果。同年，A.Strominger、C.Vafe應(yīng)用D-brane思想，計(jì)算了黑洞這種極端情形的熵和面積關(guān)系[10]，得到了和Bekenstein-Hawking的熵－面積的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena對(duì)具有不同角動(dòng)量與電荷的黑洞所計(jì)算的結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理。G.Collins探討了量子黑洞信息損失問(wèn)題。
1997年，T.Banks、J.Susskind等人提出矩陣弦理論，研究了M理論和矩陣模型間的聯(lián)系和區(qū)別。
同年，Maldacena提出AdS/CFT對(duì)偶性[11]，即一種Anti-de Sitter空間中的IIB型超弦及其邊界上的共形場(chǎng)論之間的對(duì)偶性假設(shè)，人們稱為Maldacena猜測(cè)。這個(gè)猜測(cè)對(duì)于我們世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking確立果殼中宇宙的思想，都有不少的啟示。
2.圈量子引力方面[12]
1)二十世紀(jì)80年代
1982年，印度物理學(xué)家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相繼發(fā)表兩篇文章，把廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程表述成簡(jiǎn)單而精致的形式。
1986年，A.Ashtekar研究了Sen提出的方程，認(rèn)為該方程已經(jīng)表述了廣義相對(duì)論的核心內(nèi)容。一年后，他給出了廣義相對(duì)論新的流行形式，從而對(duì)于在Planck標(biāo)度的空間時(shí)間幾何量，可以進(jìn)行具體計(jì)算，并作出精確的數(shù)量性預(yù)言。這種表述是此后正則量子引力進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。
同年，T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引進(jìn)經(jīng)典Ashtekar變量后，他們?cè)谌楣饣曳亲韵嘟磺樾蜗拢蟪隽苏齽t量子引力的WDW方程解。此后，他們又找到了即使在圈相交情況下的更多解。
1987年，由于Hamiltonian約束的Wilson圈解的發(fā)現(xiàn)，C.Revolli和Smolin引進(jìn)觀測(cè)量的經(jīng)典Possion代數(shù)的圈表示，并使微分同胚約束用紐結(jié)(knot)態(tài)完全解出。
1988年，V.Husain等人用紐結(jié)理論(knot theory)，研究了量子約束方程的精確解及諸解間的關(guān)系，從而認(rèn)為紐結(jié)理論支配引力場(chǎng)的物理量子態(tài)。同年，Witten引進(jìn)拓樸量子場(chǎng)論(TQFT)的概念。
2)二十世紀(jì)90年代
1990年，Rovelli和Smolin指出，對(duì)于在大尺度幾何近似變?yōu)槠街睍r(shí)態(tài)的研究，可以預(yù)言Planck尺度空間具有幾何斷續(xù)性。對(duì)于編織的這些態(tài)，在微觀很小尺度上具有“聚合物”的類似結(jié)構(gòu)，可以看作為J.Wheeler時(shí)空泡沫的形式化。
1993年，J.Iwasaki和Rovelli探討了量子引力中引力子的表示，引力子顯示為時(shí)空編織纖維的拓樸修正。
1994年，Rovelli和Smolin第一次計(jì)算了面積算子和體積算子的本征值[13]，得出它們的本征譜為斷續(xù)的重大結(jié)論。此后不久，物理學(xué)者曾用多種不同方法證明和推廣這個(gè)結(jié)論，指出在Planck標(biāo)度，空間面積和體積的本征譜，確實(shí)具有分立性。
1995年，Rovelli和Smolin利用自旋網(wǎng)絡(luò)基[14]，解決了關(guān)于用圈基所長(zhǎng)期存在的不完備性困難。此后不久，自旋網(wǎng)絡(luò)形式體系，便由J.Baez徹底闡明。
1996年，Rovelli應(yīng)用K.Krasnov觀念，從圈量子引力基本上導(dǎo)出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。
1998年，Smolin研究圈和弦間的相似性，開(kāi)始探討圈量子引力和弦論的統(tǒng)一問(wèn)題。
三、當(dāng)代量子引力理論主要成就
1.超弦／M理論方面
1)弦及brane概念的提出
廣義相對(duì)論中的奇性困難、量子場(chǎng)論中的紫外發(fā)散本質(zhì)、樸素量子引力中的重正化問(wèn)題，看來(lái)都起源于理論的純粹幾何的點(diǎn)模型。超弦理論提出輕子、夸克、規(guī)范粒子等微觀粒子都是延伸在空間的一個(gè)區(qū)域中，它們都是1維的廣延性物質(zhì)，類似于弦狀，其特征長(zhǎng)度為Planck長(zhǎng)度。M理論更推廣了弦的概念，認(rèn)為粒子類似于多維的brane，其線度大小為Planck長(zhǎng)度。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們把brane也稱作膜。超弦／M理論中，用有限大小的微觀粒子替代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中純粹幾何的點(diǎn)粒子，這是極為重要且富有成效的革命性觀念。
2)五種微擾超弦理論
這五種超弦的不同在于未破缺的超對(duì)稱荷的數(shù)目和所具有的規(guī)范群。I型有N=1超對(duì)稱性，含有開(kāi)弦和閉弦，開(kāi)弦零模描述楊－Mills場(chǎng)，閉弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超對(duì)稱性，旋量為Majorana-Weyl旋量，不具有手征性，自動(dòng)無(wú)反常，只含有閉弦，零模描述N=2超引力。IIB型同樣有N=2超對(duì)稱性，具有手征性。雜化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦雜化而成，只包含可定向閉弦，有手征性和N=1超對(duì)稱性，可以描述引力及楊－Mills作用。
3)超弦唯象學(xué)
從唯象學(xué)角度來(lái)看，雜化弦型是重要的，E[，8]×E[，8]是由緊致16維右旋坐標(biāo)場(chǎng)(26-10=16)而產(chǎn)生的，即由16維內(nèi)部空間緊致化而得到，也就是說(shuō)在緊致化后得到D=10，N=1，E[，8]×E[，8]的超弦理論。
但是迄今為止，物理學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)認(rèn)定我們的現(xiàn)實(shí)空間是三維的，時(shí)間是一維的，把四維時(shí)空(D=4)作為我們的現(xiàn)實(shí)時(shí)空。因此我們必須把10維時(shí)空緊致化得到低能有效四維理論，為此人們認(rèn)為從D=10維理論出發(fā)，通過(guò)緊致化有
M[10]M[4]×K
此中K為C－丘流形，此內(nèi)部緊致空間維數(shù)為10-4=6，M[4]為Minkowski空間，從而得到4維Minkowski空間低能有效理論。其重要結(jié)論有：
(1)由D=10，E[，8]×E[，8]超弦理論（M[10]中規(guī)范群為E[，8]×E[，8]）緊致化為D=4，E[，6]×E[，8]、N=1超對(duì)稱理論。
(2)夸克和輕子的代數(shù)Ng完全由K流形的拓樸性質(zhì)決定：為Euler示性數(shù)χ，系拓樸不變量。
(3)對(duì)稱破缺問(wèn)題。已知超弦四維有效理論為N=1，規(guī)范群為E[，6]×E[，8]的超對(duì)稱楊—Mills理論，現(xiàn)實(shí)模型要求破缺。首先由第二個(gè)E[，8]進(jìn)行超對(duì)稱破缺，然后對(duì)大統(tǒng)一群E[，6]已進(jìn)行破缺，從而引力作用在E[，8]中，弱、電、強(qiáng)作用在E[，6]中，實(shí)現(xiàn)了四種作用的統(tǒng)一。
4)T和S′對(duì)偶性
盡管五種超弦理論在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合上，取得了不少進(jìn)展，但是五種超弦理論則是相互獨(dú)立的，理論卻是微擾的。盡管在超弦唯象學(xué)中，原則上－丘流形K一旦固定下來(lái)，在D=4時(shí)空中所有零質(zhì)量費(fèi)米子和玻色子（包括Higgs粒子）就會(huì)被確定下來(lái)，但是－丘真空態(tài)總數(shù)則可多到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)選取－丘真空態(tài)，目前還不清楚。T對(duì)偶性和S對(duì)偶性的提出，正是五種超弦理論融通的主要橋梁。
在M理論的孕育過(guò)程中，對(duì)偶性起了重要作用。弦論中存在著一種在大小緊致空間之間的對(duì)偶性。例如ⅡA型弦在某一半徑為R[，A]的圓周上緊致化和ⅡB型在另一半徑為R[，8]的圓周上緊致化，兩者是等效的，則有關(guān)系R[，B]=(m[2，s]R[，A])[-1]。于是當(dāng)R[，A]從無(wú)窮大變到零時(shí)，R[，B]從零變到無(wú)窮大。這給出了ⅡA弦和ⅡB弦之間的聯(lián)系。兩種雜化弦E[，8]×E[，8]和SO(32)也存在類似聯(lián)系，盡管在技術(shù)性細(xì)節(jié)上有些差別，但本質(zhì)上卻是同樣的。
A.Sen證明，在超對(duì)稱理論中，必然存在著既帶電荷又帶磁荷的粒子。當(dāng)這一猜測(cè)推廣到弦論后，它被稱作為S對(duì)偶性。S對(duì)偶性是強(qiáng)耦合與弱耦合間的對(duì)稱性，由于耦合強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于膨脹子場(chǎng)，雜化弦SO(32)和I型弦可通過(guò)各自的膨脹子連系起來(lái)。
5)M理論和五種超弦、11維超引力間的聯(lián)系
M理論作為10維超弦理論的11維擴(kuò)展，包含了各種各樣維數(shù)的brane，弦和二維膜只是它的兩種特殊情況。M理論的最終目標(biāo)，是用一個(gè)單一理論來(lái)描述已知的四種作用。M理論成功的標(biāo)志，在于把量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的新理論框架中相容起來(lái)。
附圖
上面給出五種超弦理論、11維超引力和M理論相容的一個(gè)框架示意圖[16]，即M理論網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)揭示了五種超弦理論、11維超引力都是單一M理論的特殊情形。當(dāng)然至今M理論的具體形式仍未給出，它還處于初級(jí)階段。
6)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式。
在某些情形下，D-branes可以解釋成黑洞，或者說(shuō)是黑branes，其經(jīng)典意義是任何物質(zhì)（包括光在內(nèi)）都不能從中逃逸出的客體。于是開(kāi)弦可以看成是具有一部分隱藏在黑branes之內(nèi)的閉弦。Hawking認(rèn)為黑洞并不完全是黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態(tài)來(lái)衡量一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序程度。在M理論之前，如何計(jì)算黑洞量子態(tài)數(shù)目是沒(méi)有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法，計(jì)算了黑－branes中的量子態(tài)數(shù)目，發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得的的熵－面積公式，和Hawking預(yù)言的精確一致，即Bekenstein-Hawking公式，這無(wú)疑是M理論的一個(gè)卓越成就。
對(duì)于具有不同角動(dòng)量和電荷的黑洞所計(jì)算結(jié)果指出，黑洞遵從量子力學(xué)的一般原理，這說(shuō)明黑洞和量子力學(xué)是十分融洽的。
2.圈量子引力方面
1)Hamiltonian約束的精確解。
圈量子引力驚人結(jié)果之一，是可以求出Hamiltonian約束的精確解。其關(guān)鍵在于Hamiltonian約束的作用量，只是在s－紐結(jié)的結(jié)點(diǎn)處不等于零。所以不具有結(jié)點(diǎn)的s－紐結(jié)，才是量子Einstein動(dòng)力學(xué)求出的物理態(tài)。但是這些解的物理詮釋，至今還是模糊不清的。
其它的多種解也已求得，特別是聯(lián)系連絡(luò)表示的陳－Simons項(xiàng)和圈表示中的Jones多項(xiàng)式解，J.Pullin已經(jīng)詳細(xì)研究過(guò)。Witten用圈變換把這兩種解聯(lián)系起來(lái)。
2)時(shí)間演化問(wèn)題
人們?cè)噲D通過(guò)求解Hamiltonian約束，獲得在概念上是很好定義的、并排除凍結(jié)時(shí)間形式來(lái)描述量子引力場(chǎng)的時(shí)間演化。一種選擇是研究和某些物質(zhì)變量相耦合的引力自由度隨時(shí)間演化，這種探討會(huì)導(dǎo)致物理Hamiltonian的試探性定義的建立，并在強(qiáng)耦合微擾展開(kāi)中，對(duì)S紐結(jié)態(tài)間的躍遷振幅逐級(jí)進(jìn)行考查。
3)楊－Mills理論的重正化問(wèn)題
T.Thiemann把含有費(fèi)米子圈的量子引力，探索性地推廣到楊－Mills理論進(jìn)行研究。他指出在量子Hamiltonian約束中，楊－Mills項(xiàng)可以嚴(yán)格形式給出定義。在這個(gè)探索中，紫外發(fā)散看來(lái)不再出現(xiàn)，從而強(qiáng)烈支持在量子引力中引進(jìn)自然切割，即可擺脫傳統(tǒng)量子場(chǎng)論的紫外發(fā)散困難。
4)面積和體積量度的斷續(xù)性
圈量子引力最著名的物理成果，是給出了在Planck標(biāo)度的空間幾何量具有分立性的論斷。例如面積
此中l(wèi)p是Planck長(zhǎng)度，j[，i]是第i個(gè)半整數(shù)。體積也有類似的量子化公式。
這個(gè)結(jié)論表明對(duì)應(yīng)于測(cè)量的幾何量算子，特別是面積算子和體積算子具有分立的本征值譜。根據(jù)量子力學(xué)，這意味著理論所預(yù)言的面積和體積的物理測(cè)量必定產(chǎn)生量子化的結(jié)果。由于最小的本征值數(shù)量級(jí)是Planck標(biāo)度，這說(shuō)明沒(méi)有任何途徑可以觀測(cè)到比Planck標(biāo)度更小的面積（～10[-66]厘米[2]）和體積（～10[-99]厘米[3]）。從此可見(jiàn)，空間由類似于諧振子振動(dòng)能量的量子所構(gòu)成，其幾何量本征譜具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
5)推導(dǎo)量子黑洞的熵－面積公式
已知Schwarzchild黑洞熵S和面積A的關(guān)系，是Bekenstein和Hawking所給出，其公式為：
附圖
這里k是Boltzman常量，是Planck常量，G[，N]為牛頓引力常量，c為光速。對(duì)這個(gè)關(guān)系式的深層理解和由物理本質(zhì)上加以推導(dǎo)，M理論已經(jīng)作過(guò)，現(xiàn)在我們看下圈量子引力的結(jié)果。
應(yīng)用圈量子引力，通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)加以計(jì)算，Krasnov和Rovelli導(dǎo)出
附圖
此處γ為任意常數(shù)，β是實(shí)數(shù)(～1/4π)，顯然如果取γ＝β，則由式(3)即可得到式(2)。這就是說(shuō)，從圈量子引力所得出的黑洞熵－面積關(guān)系式，在相差一個(gè)常數(shù)值因子上和Bekenstein-Hawking熵－面積公式是相容的。
Bekenstein-Hawking熵公式的推導(dǎo)，對(duì)圈量子引力理論是一個(gè)重大成功，盡管這個(gè)事實(shí)的精確含義目前還在議論，而且γ的意義也還不夠清楚。
四、量子引力理論的哲學(xué)反思
我們從空間和時(shí)間的斷續(xù)性、運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本單元的存在性三個(gè)方面進(jìn)行哲學(xué)探討。
1.空間和時(shí)間的斷續(xù)性
當(dāng)代基礎(chǔ)物理學(xué)的核心問(wèn)題，是在Planck標(biāo)度破除空間時(shí)間連續(xù)性的經(jīng)典觀念，而代之以斷續(xù)性的量子繪景。量子引力理論對(duì)空間分立性的揭示和論證，看來(lái)是最為成功的。
超弦／M理論認(rèn)為，我們世界是由弦和brane構(gòu)成的。根據(jù)弦論中給出的新的不確定性關(guān)系，弦必然有位置的模糊性，其線度存在一有限小值，弦、膜、或brane的線度是Planck長(zhǎng)度，從而一維空間是量子化的。由此推知，面積和體積也應(yīng)該是量子化的。二維面積量子的數(shù)量級(jí)為10[-66]厘米[2]，三維體積量子的數(shù)量級(jí)為10[-99]厘米[3]等。
對(duì)于圈量子引力，其最突出的物理成果是具體導(dǎo)出了計(jì)算面積和體積的量子化公式。粗略說(shuō)來(lái)，面積的數(shù)量級(jí)是Planck長(zhǎng)度lp的二次方，體積的數(shù)量級(jí)是lp的三次方。這就令人信服地論證了在Planck標(biāo)度，面積和體積具有斷續(xù)性或分立性，從而根本上否定了空間在微觀上為連續(xù)性的經(jīng)典觀念。
依據(jù)空間和時(shí)間量度的量子性，芝諾悖論就是不成立的，阿基里斯在理論上也完全可以追上在他前面的烏龜。類似的，《莊子·天下》篇中的“一尺之捶，日取其半，萬(wàn)世不竭”這個(gè)論斷在很小尺度上顯然也是不成立的。古代哲學(xué)中這兩個(gè)難題的困人之處，從空間時(shí)間斷續(xù)性來(lái)看，是由于預(yù)先設(shè)定了空間和時(shí)間的度量，始終是連續(xù)變化的經(jīng)典性質(zhì)。實(shí)際上在微觀領(lǐng)域，空間和時(shí)間存在著不可分的基本單元。
2.運(yùn)動(dòng)（相互作用）基本規(guī)律的統(tǒng)一性
20世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)巨大成功之一，就是建立了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，理論上它是筑基于量子規(guī)范場(chǎng)論的。這個(gè)模型給出了夸克、輕子層次強(qiáng)、弱、電作用的SU(3)×SU(2)×U(1)規(guī)范群結(jié)構(gòu)，在一定程度上統(tǒng)一了強(qiáng)、弱、電三種相互作用的規(guī)律。但是它不含有引力作用。
超弦／M理論的探討，在于構(gòu)建包含引力在內(nèi)的四種作用統(tǒng)一的物理理論。傳遞不同相互作用的粒子如光子（電磁作用）、弱玻色子（弱作用）、膠子（強(qiáng)作用）和引力子（引力作用），對(duì)應(yīng)于弦的各種不同振動(dòng)模式，夸克、輕子層次粒子間的作用，就是弦間的相互作用。在Planck標(biāo)度，超弦／M理論是四種基本作用統(tǒng)一理論的最佳侯選者，也就是所說(shuō)的萬(wàn)物理論(Theory of everything)的最佳侯選者。
在Planck時(shí)期，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或四種作用基本規(guī)律的統(tǒng)一性，正是反映了我們宇宙在眾多復(fù)雜性中所顯現(xiàn)的一種基本簡(jiǎn)單性。
3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本單元的存在性[17]
世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)通常是有結(jié)構(gòu)的，但是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的“原子”是否存在？這是一個(gè)長(zhǎng)期反復(fù)爭(zhēng)論而又常新的課題。當(dāng)代幾種不同的量子引力，盡管對(duì)某些問(wèn)題存在著不同的見(jiàn)解，但是關(guān)于這個(gè)問(wèn)題從實(shí)質(zhì)上來(lái)看，卻給出了一致肯定的回答。
超弦／M理論認(rèn)為，構(gòu)成我們世界的物質(zhì)微觀基本單元是具有廣延性的弦和brane，并非所謂的只有位置沒(méi)有大小的數(shù)學(xué)抽象點(diǎn)粒子。粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子，都是弦或brane的激發(fā)。弦和brane的線度是有限短的Planck長(zhǎng)度，它們正是構(gòu)成我們世界的物質(zhì)基本單元，即德謨克利特式的“原子”，這是超弦／M理論為現(xiàn)今所有粒子提供的本體性統(tǒng)一。
圈量子引力給出了在Planck標(biāo)度面積和體積的量子化性質(zhì)，即斷續(xù)的本征值譜，面積和體積分別存在著最小值。由于在圈量子引力中，脫離引力場(chǎng)的背景空間是不存在的，而引子場(chǎng)是物質(zhì)的一種形態(tài)，因此脫離物質(zhì)的純粹空間也就是不存在的。空間體積和面積的不連續(xù)性和基本單元的存在，正是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的斷續(xù)性和基本單元的存在性的最有力論據(jù)。
總之，超弦／M理論和圈量子引力從不同的側(cè)面，對(duì)量子引力的本質(zhì)和規(guī)律作出了一定的揭示，它們?cè)赑lanck標(biāo)度領(lǐng)域一致地得出了空間量子化和物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本單元存在的結(jié)論。這無(wú)疑是人們?cè)?0世紀(jì)末期對(duì)我們世界空間時(shí)間經(jīng)典觀念的重大突破，也是廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)合的成果；同時(shí)更是哲學(xué)上關(guān)于空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的客觀形式，沒(méi)有無(wú)物質(zhì)的空間和時(shí)間，也沒(méi)有無(wú)空間和時(shí)間的物質(zhì)學(xué)說(shuō)的一曲凱歌！
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量子力學(xué)的含義范文第3篇
關(guān)鍵詞原子物理；物理學(xué)史；教學(xué)；科學(xué)思維
1引言
原子物理是物理學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。與其他理論性抽象性較強(qiáng)的學(xué)科不同，原子物理課程介紹的對(duì)象為微觀結(jié)構(gòu)，微觀體系具有其特定的規(guī)律而且不能直接觀測(cè)，所以不具有宏觀物體運(yùn)動(dòng)的直觀性，必須借助實(shí)驗(yàn)手段，因此教學(xué)中有大量的實(shí)驗(yàn)介紹。與其他學(xué)科一樣，理論的建立都必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)并遵從“實(shí)驗(yàn)—理論—實(shí)驗(yàn)”的發(fā)展原則。在原子物理的教學(xué)中一直以來(lái)側(cè)重于通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，發(fā)展理論模型，揭示原子結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示其微觀結(jié)構(gòu)及本質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)物理學(xué)史的引入，介紹物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可以更加清晰地讓學(xué)生看到科學(xué)探索的過(guò)程：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)更多新信息歸納總結(jié)推測(cè)修正理論然后再在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。實(shí)際教學(xué)中結(jié)合物理學(xué)史的講授能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也從中看到實(shí)驗(yàn)與理論是怎樣相互推進(jìn)完善我們對(duì)原子世界的認(rèn)知。諾獎(jiǎng)輩出的近代物理發(fā)展史貫穿整個(gè)原子物理學(xué)，本文將著重以α粒子散射實(shí)驗(yàn)、玻爾氫原子模型和康普頓散射實(shí)驗(yàn)為例討論原子物理教學(xué)與物理學(xué)史的結(jié)合并分析其優(yōu)勢(shì)。
2α粒子散射實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程與物理學(xué)史的結(jié)合
原子物理學(xué)發(fā)展處于經(jīng)典物理完善與量子概念提出的這段革命性時(shí)期，具有豐富的史料,在教學(xué)中結(jié)合物理學(xué)史，將極大地提升教學(xué)效果，這不僅有利于本課程的教學(xué)，也將對(duì)學(xué)科乃至科學(xué)思維方法的培養(yǎng)都具有積極意義。將原子物理學(xué)發(fā)展史融入知識(shí)的傳授過(guò)程中可增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性。例如在講授盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型[1-2]前分析當(dāng)時(shí)人們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)。原子是中性，不帶電，湯姆孫（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)了電子并由此提出了葡萄干布丁模型。然后此處，電子的發(fā)現(xiàn)也經(jīng)歷了一個(gè)曲折的科學(xué)發(fā)展過(guò)程。早在1811年阿伏伽德羅（A.Avogadrao）提出的假說(shuō)中隱含常數(shù)NA，聯(lián)系到電荷存在最小單位，到1833年法拉第（M.Fara-day）提出電解定律并推得1mol任何原子單價(jià)離子永遠(yuǎn)帶有相同電量，直至1874年，斯通尼（G.J.Stoney）才明確提出“電子”這一名詞來(lái)命名電荷最小單位。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到理論推測(cè)，這只是微觀世界探索路上的一小步。23年以后，1897年，湯姆孫通過(guò)放電管陰極射線偏轉(zhuǎn)真正從實(shí)驗(yàn)上確定了電子的存在，成為“最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。然而，這“理所當(dāng)然”的結(jié)果也不是唾手可得的。首先，人們對(duì)陰極射線的研究已有數(shù)十年歷史，由于真空度不高，很多偉大的物理學(xué)家在類似的實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)陰極射線的偏轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤地認(rèn)為陰極射線不帶電，真理被掩蓋在射線管的低真空環(huán)境中。另一方面，在1890年，休斯脫（A.Schuster）研究氫放電管中陰極射線偏轉(zhuǎn)時(shí)算得荷質(zhì)比是千倍以上，他不敢相信自己的測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為這是荒謬的，真理又一次敗給“固有”觀念。在與湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的同年，德國(guó)考夫曼（W.Kaufman）在類似的實(shí)驗(yàn)中測(cè)得比湯姆孫還要精確的荷質(zhì)比，但他沒(méi)有勇氣發(fā)表這些結(jié)果。這些都是真理都碰到鼻子尖上還沒(méi)有得到真理的人。可見(jiàn)，科學(xué)探索過(guò)程不是一帆風(fēng)順的，通過(guò)這些擴(kuò)展和背景知識(shí)介紹讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究要嚴(yán)謹(jǐn)，忠于客觀事實(shí)，勇于突破傳統(tǒng)觀念。接下來(lái)在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，湯姆孫葡萄干布丁模型的失敗、核式結(jié)構(gòu)的成功，這部分的教學(xué)中可以讓學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)與理論兩手并行，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象修正理論，原子物理這一門學(xué)科的發(fā)展，充滿了對(duì)固有觀念的顛覆，帶著懷疑和批判的精神進(jìn)一步驗(yàn)證，由此一步一步接近真理，學(xué)生們可以真切地體會(huì)科學(xué)家們通過(guò)用客觀事實(shí)來(lái)修正和進(jìn)一步完善理論的科學(xué)思維方法。除了對(duì)知識(shí)點(diǎn)本身的介紹，結(jié)合物理學(xué)史的講授能夠在課堂上吸引和牽動(dòng)更多學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)基本的科學(xué)素養(yǎng)。
3玻爾氫原子模型教學(xué)過(guò)程與物理學(xué)史的結(jié)合
在玻爾模型的講解中也可以通過(guò)對(duì)著名物理學(xué)家們對(duì)“量子”概念的認(rèn)識(shí)理解過(guò)程以及介紹1927年第五屆索爾維會(huì)議，很好地讓學(xué)生了解近代物理發(fā)展的精彩一幕。這樣可以有效避開(kāi)傳統(tǒng)的灌輸邏輯思維方法的教學(xué)，通過(guò)介紹物理學(xué)家的認(rèn)知過(guò)程、思想斗爭(zhēng)、學(xué)術(shù)辯論，讓學(xué)生看到知識(shí)的構(gòu)建過(guò)程，更加深刻領(lǐng)悟物理學(xué)研究的思想方法。如1900年普朗克（M.Planck）“勉強(qiáng)”地發(fā)表了著名的量子假說(shuō)，作為經(jīng)典物理的大師，普朗克不得不拋棄能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理概念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。并且因?yàn)榱孔永碚摰膭?chuàng)立而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。普朗克本人是如此地不喜歡自己提出的量子概念，很想把量子說(shuō)納入經(jīng)典軌道，但十余年的斗爭(zhēng)終敗，最后在各種經(jīng)典解釋一一碰壁后他才真正理解量子的深刻含義。由此可以再次讓學(xué)生看到，科學(xué)研究確實(shí)不僅需要勇氣挑戰(zhàn)經(jīng)典，還要學(xué)會(huì)改變固有觀念和思維方式。物理理論的萌芽、發(fā)展和完善，這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程中學(xué)生能夠深切地體會(huì)其中的曲折艱辛。在介紹玻爾氫原子模型的部分，可以引入玻爾與愛(ài)因斯坦的世紀(jì)之爭(zhēng)。玻爾1885年出生于丹麥，在哥本哈根大學(xué)學(xué)習(xí)物理期間發(fā)展和完善了湯姆孫和洛倫茲的研究方法，并且創(chuàng)造性地把普朗克提出的量子假說(shuō)應(yīng)用于盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，非常完美地解釋了困惑物理學(xué)家們近30年的光譜實(shí)驗(yàn)。玻爾作為哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人，不僅成功地解釋了氫原子光譜，還提出互補(bǔ)原理和哥本哈根詮釋來(lái)解釋量子力學(xué)。在玻爾成立的哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所還誕生了大量杰出優(yōu)秀的物理學(xué)家，是當(dāng)時(shí)世界上最重要最活躍的學(xué)術(shù)中心。玻爾與愛(ài)因斯坦的世紀(jì)之爭(zhēng)因?yàn)閷?duì)物理學(xué)發(fā)展具有極為重要的作用而被載入史冊(cè)。在第五屆索爾維會(huì)議中，愛(ài)因斯坦質(zhì)疑海森堡的不確定性原理，并拋出了“上帝不會(huì)擲骰子”的觀點(diǎn)，而玻爾反駁“愛(ài)因斯坦，不要告訴上帝怎么做”。愛(ài)因斯坦對(duì)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系和量子力學(xué)的幾率解釋極為不滿，認(rèn)為量子力學(xué)不完備，并提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)反駁測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。但這正好被玻爾用分析場(chǎng)的可測(cè)性證明了量子場(chǎng)論的無(wú)矛盾條件。愛(ài)因斯坦提出了很多問(wèn)題，找到很多矛盾，但都被玻爾一一攻破，反而更加全面地證明自己的正確性，闡明了量子力學(xué)的原理。兩位偉大的科學(xué)家一直在爭(zhēng)斗，但玻爾十分尊重愛(ài)因斯坦的挑戰(zhàn)，愛(ài)因斯坦的批評(píng)和挑戰(zhàn)也促進(jìn)了大家對(duì)微觀理論的認(rèn)識(shí)。正所謂真理越辯越明，索爾維會(huì)議上玻爾與愛(ài)因斯坦的世紀(jì)爭(zhēng)辯的介紹不僅更能提升學(xué)生對(duì)物理研究過(guò)程的了解和對(duì)科學(xué)發(fā)展的認(rèn)識(shí)，同時(shí)有利于正確看待學(xué)術(shù)討論、爭(zhēng)議、合作，培養(yǎng)學(xué)術(shù)精神和正確的價(jià)值觀。另一方面通過(guò)介紹以玻爾為中心的哥本哈根學(xué)派的工作，可以展開(kāi)極為豐富的信息，這對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣給學(xué)生以啟迪、聯(lián)系專業(yè)學(xué)科可以起到更加積極的作用。此外，在教學(xué)過(guò)程中由玻爾理論到索末菲理論再到第三章介紹的量子理論電子云概念的提出，從介紹氫原子到類氫離子再到最外層只有一個(gè)電子的堿金屬，單電子原子到雙電子原子再到多電子原子，每一個(gè)部分都是物理學(xué)發(fā)展堅(jiān)實(shí)的腳印，讓學(xué)生看到，實(shí)際上現(xiàn)有的物理知識(shí)無(wú)一不是通過(guò)無(wú)數(shù)的曲折反復(fù)由簡(jiǎn)到繁升華高度概括得到的精華，這樣的教學(xué)過(guò)程將更有益于滲透物理思想和學(xué)習(xí)科學(xué)思維的方法，從而樹(shù)立科學(xué)的世界觀[3]。
4康普頓散射實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程與物理學(xué)史的結(jié)合
科學(xué)發(fā)展實(shí)驗(yàn)與理論兩手并行，例如1923年美國(guó)物理學(xué)家康普頓（pton）在研究X射線與物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)中證明了X射線的粒子性，完滿地解釋了光量子說(shuō)，人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)在實(shí)驗(yàn)中完滿。這是一個(gè)漫長(zhǎng)曲折的過(guò)程，從17世紀(jì)末開(kāi)始，牛頓提出的“微粒說(shuō)”認(rèn)為光是微小的粒子，而惠更斯提出了與之相對(duì)立的“波動(dòng)說(shuō)”，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)局限在當(dāng)時(shí)所能觀測(cè)的有限的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，加之牛頓崇高的威望使得“微粒說(shuō)”一度占領(lǐng)統(tǒng)治地位。一百年后，托馬斯•楊通過(guò)光的干涉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了惠更斯原理，“波動(dòng)說(shuō)”開(kāi)始充滿生機(jī)。到了19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出“電磁說(shuō)”，由此光的波動(dòng)理論占據(jù)主導(dǎo)地位。但很快因?yàn)椴▌?dòng)理論認(rèn)為光的傳播需要介質(zhì)，這難以解釋宇宙中光的傳播，“波動(dòng)說(shuō)”又身陷囹圄，而且“波動(dòng)說(shuō)”在光電效應(yīng)面前蒼白而無(wú)力。1905年，愛(ài)因斯坦提出“光量子說(shuō)”成功解釋了光電效應(yīng)，這樣幾經(jīng)曲折，康普頓散射實(shí)驗(yàn)終結(jié)了人們對(duì)于“光量子說(shuō)”的懷疑，最終認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性，粒子與波動(dòng)完美統(tǒng)一。康普頓散射實(shí)驗(yàn)這個(gè)漂亮的句號(hào)可以啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到人們對(duì)于客觀事物的認(rèn)知總存在歷史局限性，前人們經(jīng)歷了從無(wú)知到多角度多方面看實(shí)物，從相對(duì)真理到越來(lái)越接近絕對(duì)真理的過(guò)程。
5小結(jié)
在原子物理這門課程的教學(xué)過(guò)程中充滿了革命性創(chuàng)新性的故事，聯(lián)系物理學(xué)史開(kāi)放性的教學(xué)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生不拘泥思維，敢想敢干勇于創(chuàng)新將起到積極的促進(jìn)作用。物理教學(xué)中，特別是原子物理課程教學(xué)中扒開(kāi)死氣沉沉的公式，充分利用物理學(xué)史資料，呈現(xiàn)真實(shí)的歷史不僅可以充實(shí)和豐富課堂內(nèi)容，開(kāi)闊學(xué)生視野，活躍課堂氣氛，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更重要的是可以讓學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)科展開(kāi)立體的聯(lián)系，知識(shí)不再是單一的點(diǎn)，還可以連成線，展開(kāi)為面，知識(shí)是立體的，充滿生命力的，向各方面生長(zhǎng)的。綜上，原子物理教學(xué)過(guò)程中緊密結(jié)合科學(xué)事例的歷史，將更有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，深入探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，積極動(dòng)腦思考物理本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)思維方法。知識(shí)的多寡不是我們教學(xué)中所追求的終極目標(biāo)，探索精神的培養(yǎng)，對(duì)物理本質(zhì)的全面理解以及建立正確的科學(xué)思維方法，樹(shù)立正確的科學(xué)觀才是充滿生命力的有活力的教學(xué)。
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量子力學(xué)的含義范文第4篇
固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理和材料物理專業(yè)的必備基礎(chǔ)課，它融合了普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。也是因?yàn)橹R(shí)面廣、量大、深?yuàn)W難懂，在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生普遍反映較難掌握這門課程。如何取舍教學(xué)內(nèi)容、如何深入淺出地講解基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)、如何改變教學(xué)手段和教學(xué)形式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和應(yīng)用能力等，這些都是教學(xué)中遇到的主要問(wèn)題。作者從數(shù)年的教學(xué)中總結(jié)了一些心得體會(huì)，希望對(duì)這門課的教學(xué)有所借鑒作用。
一、多媒體與三維模型的應(yīng)用
固體物理學(xué)是一門研究固體的微觀結(jié)構(gòu)、組成固體的粒子（原子、離子、電子等）之間的相互作用與規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上闡明固體宏觀性質(zhì)的學(xué)科。因此，固體的微觀結(jié)構(gòu)是這門課程的基礎(chǔ)。許多固體物理學(xué)的教材，例如黃昆等的《固體物理學(xué)》經(jīng)典教材，開(kāi)篇即討論晶體的結(jié)構(gòu)。但對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的理解，特別是對(duì)三維的晶體結(jié)構(gòu)的理解，需要學(xué)生較好的空間想象能力。由于晶格的周期平移不變性，理想晶格可以通過(guò)原胞或單胞的周期平移、重復(fù)而得到。那么，如何選取合適的原胞或單胞？原胞的形狀如何？原胞內(nèi)有多少個(gè)原子？單胞內(nèi)的各個(gè)原子是否等價(jià)？在教學(xué)過(guò)程中，許多學(xué)生對(duì)這些問(wèn)題一時(shí)不能很好理解。
隨著計(jì)算機(jī)的普及和利用，多媒體教室普遍存在，并被廣泛使用。多媒體教學(xué)手段的利用，有助于學(xué)生對(duì)固體微觀結(jié)構(gòu)的理解。例如，可以通過(guò)視頻或PowerPoint文件，可以直觀地展示晶體的微觀結(jié)構(gòu)、原胞的選取、原胞的形狀等。與傳統(tǒng)板書(shū)相比，利用多媒體呈現(xiàn)并分析固體的微觀結(jié)構(gòu)以及晶體的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)教師而言，更加省時(shí)、省力；幾何關(guān)系的表達(dá)也更為準(zhǔn)確，便于學(xué)生的理解。此外，若能結(jié)合三維的原子實(shí)物模型，那么，固體的微觀結(jié)構(gòu)將能更為直觀地展現(xiàn)在學(xué)生眼前。多媒體與三維模型的應(yīng)用對(duì)于學(xué)生理解固體的微觀結(jié)構(gòu)、晶格的周期性、原胞、晶體的對(duì)稱性等基礎(chǔ)概念很有好處。
當(dāng)然，多媒體教學(xué)也存在著一定的局限性。例如，在公式的推導(dǎo)、基礎(chǔ)概念的講解等方面，板書(shū)其實(shí)更受學(xué)生的歡迎。與多媒體教學(xué)相比，板書(shū)的節(jié)奏慢，師生間可以有較多的互動(dòng)；學(xué)生相對(duì)容易跟上教師思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的步伐，學(xué)生也能有較充分的時(shí)間來(lái)理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)、梳理要點(diǎn)以及做筆記等。因此，多媒體教學(xué)還需適當(dāng)?shù)嘏c傳統(tǒng)板書(shū)相結(jié)合才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。
二、教學(xué)內(nèi)容的取舍
由于固體物理學(xué)融合了普通物理、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、晶體學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，其知識(shí)面廣、量大，在有限的學(xué)時(shí)里，不可能面面俱到地討論固體物理學(xué)所涉及的所有知識(shí)點(diǎn)。因此，實(shí)際教學(xué)中可以結(jié)合本專業(yè)的特色，有選擇地取舍部分教學(xué)內(nèi)容。例如，側(cè)重固體熱學(xué)性質(zhì)的專業(yè)可以考慮以晶格振動(dòng)等內(nèi)容為主；而側(cè)重微電子的專業(yè)則可以考慮以能帶理論、半導(dǎo)體中的電子等內(nèi)容為主。當(dāng)然，一些多個(gè)領(lǐng)域都涉及到的基礎(chǔ)知識(shí)也應(yīng)是這門課程不可缺少的一部分內(nèi)容。
固體的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)合方式是固體物理學(xué)的基礎(chǔ)，因此，晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合等知識(shí)點(diǎn)應(yīng)是這門課程的基礎(chǔ)知識(shí)之一。考慮到理想晶格由原子實(shí)和電子組成，晶格的運(yùn)動(dòng)主要在晶格振動(dòng)等部分討論；而電子的運(yùn)動(dòng)主要在能帶理論等部分討論，具體還可以分為金屬中電子的運(yùn)動(dòng)和半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)等部分。盡管這原子實(shí)和電子的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上相互聯(lián)系，但很多時(shí)候，可以分別側(cè)重討論。此外，實(shí)際晶體也并非理想晶體；實(shí)際晶體除了有邊界之外，也常含有缺陷。但在許多情況下，晶格的振動(dòng)、電子的運(yùn)動(dòng)和缺陷的影響依然可以依據(jù)實(shí)際情況分別討論，并得到與實(shí)際較為符合的理論結(jié)果。因此，晶格振動(dòng)、能帶理論和缺陷等知識(shí)點(diǎn)之間相對(duì)獨(dú)立，或可根據(jù)各專業(yè)的實(shí)際情況取舍部分教學(xué)內(nèi)容。
在許多固體物理學(xué)的教材中，例如黃昆等的《固體物理學(xué)》教材和閻守勝的《固體物理基礎(chǔ)》教材，密度泛函理論并沒(méi)有被提到。事實(shí)上，密度泛函理論是一個(gè)被廣泛使用的基礎(chǔ)理論，它是凝聚態(tài)物理前言研究的有效手段之一，也是材料設(shè)計(jì)的一種有效方法。教學(xué)過(guò)程中，教師可以結(jié)合各專業(yè)的實(shí)際情況介紹一些密度泛函理論的基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，還可以介紹一些最新的相關(guān)研究進(jìn)展，以拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
三、模塊化的教學(xué)形式
如前所述，固體物理學(xué)中的許多知識(shí)點(diǎn)間相對(duì)獨(dú)立；基于這門課程的特征，教師在教學(xué)過(guò)程中可以考慮模塊化的教學(xué)形式，以子課題的形式將相應(yīng)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生。可能的模塊如：討論晶體的結(jié)構(gòu)和晶體的結(jié)合方式的基礎(chǔ)模塊――晶體的結(jié)構(gòu)與結(jié)合；討論晶體中原子實(shí)運(yùn)動(dòng)的模塊――晶格振動(dòng)；討論晶體中電子運(yùn)動(dòng)的模塊――能帶理論；討論實(shí)際晶體中可能存在的缺陷的模塊――晶體的缺陷等；其中，能帶理論部分還可分為：近自由電子模型、緊束縛模型、贗勢(shì)方法等數(shù)個(gè)部分。這樣做首先有利于教學(xué)內(nèi)容的取舍；其次，有利于學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的理解、有利于學(xué)生梳理清楚各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。
此外，固體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理前沿研究的基礎(chǔ)之一；其基礎(chǔ)知識(shí)、理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)背景以及處理問(wèn)題的方式方法等，都是開(kāi)展凝聚態(tài)物理研究的基礎(chǔ)。而模塊化教學(xué)，以課題研究的形式提出問(wèn)題、解決問(wèn)題，將教學(xué)內(nèi)容以問(wèn)題為導(dǎo)向呈現(xiàn)給學(xué)生，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。而且，課題研究的教學(xué)模式，既是在教授學(xué)生知識(shí)，也是在開(kāi)展科研，有助于提高學(xué)生對(duì)科研的認(rèn)識(shí)、有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。這種課題研究的模塊化教學(xué)形式還可以結(jié)合基于原始問(wèn)題的教學(xué)來(lái)開(kāi)展。
四、基于原始問(wèn)題的教學(xué)
所謂原始問(wèn)題，可簡(jiǎn)單理解為：現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際存在的、未被抽象加工或簡(jiǎn)化的問(wèn)題。于克明教授、邢教授等人詳細(xì)探討了原始物理問(wèn)題的諸多方面；此外，周武雷教授等人還討論了原始物理問(wèn)題含義的界定等相關(guān)問(wèn)題，并呼吁將基于原始物理問(wèn)題的教學(xué)實(shí)踐引入大學(xué)物理的教學(xué)中。這應(yīng)是個(gè)值得提倡的建議，畢竟現(xiàn)實(shí)生活中遇到的具體問(wèn)題都是原始問(wèn)題。與傳統(tǒng)的習(xí)題不同，原始問(wèn)題未被抽象、加工或簡(jiǎn)化。學(xué)生處理實(shí)際問(wèn)題的第一步便是將問(wèn)題適當(dāng)簡(jiǎn)化，這也是學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一種能力。
事實(shí)上，合理的模型簡(jiǎn)化是各種理論的基礎(chǔ)，也是實(shí)際應(yīng)用或科研必不可少的一種能力。例如，討論晶格熱容的愛(ài)因斯坦模型和德拜模型，盡管模型簡(jiǎn)單，但它們數(shù)十年來(lái)是我們討論、分析相應(yīng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。今天，那些被寫進(jìn)教科書(shū)的基礎(chǔ)理論，在當(dāng)時(shí)、在理論剛被提出時(shí)，都是為了原始問(wèn)題的解決。下面以晶體熱容為例，稍加詳述。
問(wèn)題的背景：根據(jù)經(jīng)典的熱力學(xué)理論，晶體的定體摩爾熱容是個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體的熱容在高溫下確實(shí)接近于常數(shù)，但是晶體的熱容在低溫下并不是個(gè)常數(shù)，其與溫度的三次方成比例關(guān)系。
問(wèn)題的提出：理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)為何不相符？如何解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？20世紀(jì)初剛剛發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué)是否能解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？這些問(wèn)題在愛(ài)因斯坦的年代應(yīng)該都是前言的科研問(wèn)題。
問(wèn)題的簡(jiǎn)化：（1）不考慮邊界、缺陷、雜質(zhì)等的影響，將實(shí)際晶體抽象為理想晶體；（2）基于絕熱近似，不考慮電子的具體空間分布，將原子當(dāng)作一個(gè)整體，原子―原子間存在相互作用；（3）基于近鄰近似，只考慮近鄰原子間的相互作用；（4）基于簡(jiǎn)諧近似，將原子間的相互作用勢(shì)在原子的平衡位置作泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并保留到二階項(xiàng)。
問(wèn)題的解決：基于上面的模型簡(jiǎn)化，寫出描述原子運(yùn)動(dòng)的牛頓第二定律，并求解方程組，這些方程組與相互獨(dú)立的簡(jiǎn)諧振子的運(yùn)動(dòng)方程組相對(duì)應(yīng)。結(jié)合量子力學(xué)，得到體系的能量本征值；寫出晶格振動(dòng)總能的表達(dá)式，繼而給出由晶格振動(dòng)貢獻(xiàn)的晶格熱容的表達(dá)式。由于晶格熱容的表達(dá)式復(fù)雜，很難直接與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，因此引入進(jìn)一步的簡(jiǎn)化和近似――愛(ài)因斯坦模型或德拜模型。
這種提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方式與做前言科學(xué)研究的方式相接近，既能提高學(xué)生對(duì)科研的認(rèn)識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，又能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
五、小結(jié)
針對(duì)固體物理學(xué)這門課程的一些特點(diǎn)，本文從教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式等方面提出了一些教學(xué)改革的心得體會(huì)。教學(xué)手段上，可以利用多媒體和三維模型等教學(xué)手段，以便讓學(xué)生更容易理解固體的微觀結(jié)構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容上，可以針對(duì)專業(yè)特色，有選擇地取舍部分章節(jié)。而模塊化的教學(xué)形式，可以將相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)以子課題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，既能幫助學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)，又能讓學(xué)生對(duì)課題研究有所認(rèn)識(shí)。最后，通過(guò)課題研究的教學(xué)形式、理論聯(lián)系實(shí)際的討論分析以及基于原始問(wèn)題的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用的能力。
致謝：感謝上海高校外國(guó)留學(xué)生英語(yǔ)授課示范性課程《英文大學(xué)物理》建設(shè)項(xiàng)目的資助。
參考文獻(xiàn)：
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量子力學(xué)的含義范文第5篇
關(guān)鍵詞:物理常數(shù);光速;普朗克常數(shù)
基本物理常數(shù)是物理學(xué)中的一些普適常數(shù)，是人類在探索客觀世界基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程中提出和確定的基本物理常量。這些常數(shù)與自然科學(xué)的各個(gè)分支有著密切的關(guān)系，在科學(xué)理論的提出和科學(xué)試驗(yàn)的 發(fā)展 中起著很重要的作用。基本物理常數(shù)包括牛頓引力常數(shù)g、真空中的光速c、普朗克常數(shù)h、基本電荷e、 電子 靜止質(zhì)量me、阿伏伽德羅常數(shù)na等。
物理學(xué)中許多新領(lǐng)域的開(kāi)辟以及重大物理理論的創(chuàng)立，往往與相關(guān)基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確測(cè)定密切相關(guān)。基本物理常數(shù)描繪和反映了物理世界的基本性質(zhì)和特征，它們?yōu)椴煌I(lǐng)域的區(qū)分提供了定量的標(biāo)準(zhǔn)。基本物理常數(shù)的測(cè)定及其精度的不斷提高，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的 歷史 時(shí)期，生動(dòng)地反映了實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量方法的發(fā)展與更新，現(xiàn)在，許多基本物理常數(shù)的精度已達(dá)10-6量級(jí)，有的甚至達(dá)到10-8～10-10量級(jí)。本文限于篇幅，僅以光速c和普朗克常數(shù)h為例來(lái)說(shuō)明。
光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細(xì)分析起來(lái)，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數(shù)值非常大，遠(yuǎn)非其他各種波動(dòng)速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動(dòng)則離開(kāi)了相應(yīng)的彈性介質(zhì)便不復(fù)存在，由此引來(lái)了關(guān)于以太（假想的彈性介質(zhì)）的種種爭(zhēng)論。
1865年麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)方程組，證明了電磁波的存在，并推導(dǎo)出了電磁波的速度c等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實(shí)驗(yàn)測(cè)出光在空氣中的傳播速度為c =3.14858×108米/秒。分屬光學(xué)和電磁學(xué)的不相及的兩個(gè)傳播速度c電磁波與c光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識(shí)到光波就是電磁波。于是，以c為橋梁把以前認(rèn)為彼此無(wú)關(guān)的光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一了起來(lái)。同時(shí)，由于電磁波傳播依賴的是電磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，無(wú)需任何彈性介質(zhì)，使得“以太”的存在和不存在沒(méi)有什么差別，不需要強(qiáng)加在它身上種種性質(zhì)。至此，光速c的地位陡然升高。
麥克斯韋電磁場(chǎng)理論揭示了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，統(tǒng)一了光學(xué)與電磁學(xué)，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新時(shí)代。但同時(shí)它也提出了新的更深刻的問(wèn)題：麥克斯韋方程組只適用于某個(gè)特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個(gè)特殊的慣性系，則不僅違背相對(duì)性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對(duì)空間，地球相對(duì)它運(yùn)動(dòng)將受到以太風(fēng)的吹拂，然而試圖探測(cè)其影響的michelson-mor1ey實(shí)驗(yàn)卻得出了否定的結(jié)果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據(jù)伽利略變換得出的經(jīng)典速度合成規(guī)律，在不同慣性系中的光速應(yīng)不同，甚至?xí)霈F(xiàn)違背因果關(guān)系的超光速現(xiàn)象，也難以解釋。總之，對(duì)于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，伽利略變換和相對(duì)性原理之間存在著不可調(diào)和的深刻矛盾。直至1905年einstein以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌榍疤幔⒔柚鍌惼澴儞Q方程建立起狹義相對(duì)論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。
由此可見(jiàn)，真空中的光速c從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進(jìn)一步成為一切實(shí)際物體和信號(hào)速度的上限，并且在任何慣性系中c的取值都相同。c作為基本物理常數(shù)，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對(duì)論和新時(shí)空觀的鮮明標(biāo)志，同時(shí)又成為是否需要考慮相對(duì)論效應(yīng)的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)。
1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續(xù)的大膽假設(shè)。1905年einstein為解釋光電效應(yīng)，把能量子假設(shè)推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過(guò)粒子與波的對(duì)比，假設(shè)微觀粒子也具有波動(dòng)性，也就是波粒二象性，設(shè)其動(dòng)量為p，則其德布洛依波長(zhǎng)由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數(shù)，h幾乎處處出現(xiàn)，它宣告物理學(xué)新的研究領(lǐng)域——量子物理學(xué)誕生了。
量子物 理學(xué) 的進(jìn)展表明，普朗克常數(shù)h是量子物理學(xué)的重要常數(shù)，凡是涉及量子效應(yīng)的一切物理量都與它有關(guān)，h不僅必然成為微觀粒子運(yùn)動(dòng)特征的定量標(biāo)準(zhǔn)，而且成為劃分量子物理與經(jīng)典物理的定量界限（正如c是劃分相對(duì)論與非相對(duì)論的定量界限一樣）。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學(xué)的框架內(nèi)描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠(yuǎn)大于h，則經(jīng)典物理學(xué)的 規(guī)律 就在足夠的精確度對(duì)該體系有效。普朗克常數(shù)h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數(shù)之列。
普朗克常數(shù)h的一個(gè)意外而有趣的含義在于，它是一個(gè)直接關(guān)系到宇宙存在形式的基本常數(shù)。宇宙中廣泛存在著有形的物質(zhì)與輻射，其間的能量交換（如物體發(fā)光或吸收光）遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數(shù)，即若h=0，則表明輻射與有形物質(zhì)之間的能量交換可任意進(jìn)行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數(shù)量上是沒(méi)有上限的。因此，輻射通過(guò)與有形物質(zhì)的能量交換，將不斷地從有形物質(zhì)中吸取能量，最終導(dǎo)致有形物質(zhì)的毀滅。于是，整個(gè)宇宙只剩下輻射，沒(méi)有原子、分子，沒(méi)有氣體、液體、固體等，生命與人類當(dāng)然無(wú)從談及。幸而普朗克常數(shù)h不為零，輻射的能量是不連續(xù)的，存在著ε=hv的能量臺(tái)階，波長(zhǎng)越短頻率越高的輻射其能量臺(tái)階越高，在與有形物質(zhì)的能量交換中越不起作用，相應(yīng)的輻射自由度凍結(jié)，從而使有形物質(zhì)與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達(dá)到平衡，我們這個(gè)宇宙才能以當(dāng)今豐富多采的形式存在下去。
下面介紹一下近代精確測(cè)量c和h的方法。
測(cè)量真空中光速的精確方法是，直接測(cè)量激光的頻率ν和真空波長(zhǎng)λ，由兩者乘積得出真空光c。1972年，通過(guò)測(cè)量甲烷譜線的頻率與真空波長(zhǎng)，得出真空中光速為c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)光在真空中行程的長(zhǎng)度。”由于光速是定義，不確定度為零，從此不再需要任何測(cè)量，結(jié)束了300多年精密測(cè)量c的 歷史 。
h首先由普朗克給出，普朗克利用黑體輻射位移定律中的wien常數(shù)b與k（boltzmann常數(shù)）、c、h的關(guān)系，由b、k、c算出h，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定h則始于millikan，他利用光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)得出h，近代精確測(cè)定h的方法是利用josephson效應(yīng)，這是超導(dǎo)體的一種量子效應(yīng)。
1900年，thomson在 總結(jié) 以往幾百年的物理學(xué)時(shí)指出：“在已經(jīng)基本建成的 科學(xué) 大廈中，后輩物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了；但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當(dāng)時(shí)無(wú)法解釋的黑體輻射和michel-son—morley實(shí)驗(yàn)，正是它們引起了物理學(xué)的深刻變革，導(dǎo)致量子力學(xué)和相對(duì)論的誕生，與此同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)基本物理常數(shù)h和c。
參考 文獻(xiàn)
[1] [美]威切曼著，復(fù)旦大學(xué)物理系譯，《量子物理學(xué)》，科學(xué)出版社，1978年
